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Quasar 95Club d’astronomie de Frouville
Jean-Pierre Maratrey - mai 2008 - maj octobre 2010
Anatomie de l’œil humain
Au menu
Le cristallinLa pupilleLa rétineQuelques chiffres
L’œil sidéral
TransparenceOuvertureLentille CapteursPerformancesInconvénients
Compléments (si affinités)
Généralités
Le monde animal peut se vanter d’une grande variété au niveau de la perception des formes et des couleurs. Les possibilités d’acquisition d’une image interprétable par le cerveau sont très diverses, pour n’en citer que quelques unes :
Généralités
- Le poisson rouge est sensible à certains rayonnements UV et IR et est spécialisé dans la vue de près.
- Le chat, le dauphin voient la nuit ou dans les profondeurs aquatiques sombres.
- L’aigle a une résolution angulaire 3 fois supérieure à celle de l’homme.
- Le lapin et certains insectes sont capables de détecter les plus infimes mouvements.
- Le caméléon a une vue sur 360°, avec deux yeux tot alement indépendants.
- L’araignée possède 8 yeux de divers modèles.
- Les yeux de certains insectes ont une structure à facettes.
Il n’est pas question ici de décrire toutes les caractéristiques anatomiques de l’œil, mais de se limiter à ce qui est utile pour comprendre et améliorer notre vision de nuit.
Anatomie de l’œil humain
Pour simplifier, l’œil est composé, comme l’appareil photo qui s’en est inspiré, d’une lentille (le cristallin ), diaphragmé par la pupille , et qui forme une image renversée sur la rétine , à la fois écran et capteur qui envoie les informations reçues au cerveau par l’intermédiaire du nerf optique .
L’ensemble cristallin-rétine est situé dans le globe oculaire , dont la forme sphérique est stabilisée par la pression exercée par deux liquides visqueux transparents qui l’emplissent (l’humeur vitreuse ou vitré et l’humeur aqueuse ).
L’image d’une scène en 3 dimensions se forme sur la rétine, surface courbe àdeux dimensions.
Anatomie de l’œil humain
La quatrième dimension (le temps) se fait sentir avec la persistance rétinienne. La persistance rétinienne est la capacité ou défaut de l'œil à conserver une image vue superposée aux images que l'on est en train de voir (c’est la durée du traitement du signal biologique).
La persistance positive laisse sur la rétine une image lorsqu’on ferme les yeux. Elle dure 50 à 100 millisecondes, et est responsable de la fluidité des images d’un film qui montre paradoxalement des images de façon saccadée.
La persistance négative dure plus longtemps (plusieurs secondes) et apparaît avec les très fortes illumination. En fermant les yeux, une image inversée apparaît alors.
La troisième dimension apparaît avec les défauts de vision. L’image peut dans certains cas se former derrière le plan de la rétine (hypermétropie), ou devant (myopie).
Anatomie de l’œil humain
Anatomie de l’œil humain
Coupe simplifiée de l’œil
Anatomie de l’œil humain
Le cristallin
Anatomie de l’œil humain
C’est la lentille convexe qui forme l’image sur la rétine. Elle est caractérisée par le diamètre de sa pupille et sa distance focale.
Elle a la particularité d’être à géométrie variable, c’est-à-dire de pouvoir, grâce aux muscles ciliaires , modifier à volonté sa courbure et son indice de réfraction, et donc sa distance focale. Cette possibilité s’appelle l’accommodation . Pourquoi devoir modifier sa distance focale ?
Construction d’une image située à l’infini :
F
Etoile située à l'infini Image formée à la distance focale
Le cristallin
Anatomie de l’œil humain
Construction d’une image d’un objet rapproché :
Pour une lentille de même focale et un même objet, plus cet objet sera rapproché, et plus son image sera éloignée du point focal F, et plus l’image sera grande.
F
F
Objet rapprochéImage renversée, plus loin que FLentille
Le cristallin
Anatomie de l’œil humain
Si le cristallin avait une distance focale fixe, l’œil ne pourrait voir nettement que des objets situés à l’infini. L’astuce trouvée par la nature est de réduire la focale du cristallin au fur et à mesure que l’objet se rapproche, de façon à conserver l’image nette sur la rétine. Ceci est réalisé en contractant le cristallin grâce aux muscles ciliaires.
F
F
F
Objet à l'infini
Objet rapproché
Plan de la rétine
Cristallin
La pupille
Anatomie de l’œil humain
L’iris est situé devant le cristallin et possède une ouverture circulaire en son centre, la pupille. La taille de cette ouverture est contrôlée par un muscle placéà sa périphérie.
Lorsque le muscle se contracte, par réflexe en cas de forte illumination, la pupille se ferme, contrôlant ainsi la quantité de lumière pénétrant dans l’œil. Son diamètre varie de 1 mm au soleil, à 7 mm en vision nocturne.
La rétine
Anatomie de l’œil humain
La rétine est la couche cellulaire sensible qui tapisse l’intérieur du globe oculaire. C’est un assemblage compliqué de cellules spécialisées, sensibles àla lumière dite visible (justement parce qu’elle impressionne la rétine). Elle est constituée de cellules réceptrices de deux types, les cônes et les bâtonnets .
La rétine mesure 0,5 mm d’épaisseur, et couvre 75% de la surface du globe oculaire. On y trouve :
• Les extrémités des neurones chargés de transmettre les signaux électrochimiques au cerveau.
• 5 à 6 millions de cônes et 120 à 130 millions de bâtonnets.
• Des vaisseaux sanguins capillaires chargés d’alimenter tout ce petit monde en énergie.
La rétine
Anatomie de l’œil humain
Les structures nerveuses des neurones sont transparentes. Les capteurs (cônes et bâtonnets) ne sont pas indépendants. Chacun d’eux est en relation étroite avec ses voisines.Les terminaisons sont collectées dans le nerf optique.
L’endroit exact où le nerf optique sort de la rétine (un peu en dessous de l’axe optique du cristallin) ne comporte pas de cellules réceptrices et s’appelle la tache aveugle de Mariotte . La vision binoculaire et l’adaptation psychique font que cette tache n’est pas perçue.
La rétine
Anatomie de l’œil humain
On peut facilement repérer la position de cette tache aveugle avec la petite expérience suivante :
La prochaine page montrera un grand rectangle avec un point rouge àgauche.L’expérience consiste à faire disparaître ce point rouge en obstruant l’œil droit, et en fixant avec le gauche un point situé à droite, à une quinzaine de degrés du point rouge.Il est possible que pour les personnes situées loin de l’écran, le point àfixer soit en dehors de l’écran. Il peut aussi être légèrement au dessus ou au dessus de l’horizontale.
Lorsque ce point à fixer est trouvé, on peut faire réapparaître le point rouge en regardant toujours le même point à fixer avec les deux yeux.La distance angulaire entre le point à fixer et le point rouge est la distance angulaire entre la fovéa et le départ du nerf optique.
La rétine
Anatomie de l’œil humain
La rétine
Anatomie de l’œil humain
Les cônes sont des cellules sensibles aux couleurs et aux fortes illuminations. Ils sont directement connectés au nerf optique et fournissent individuellement des informations au cerveau. Ils procurent une excellente acuité visuelle*.
Ils sont de plus en plus nombreux au fur et à mesure que l’on se rapproche de l’axe optique du cristallin. Ce point de l’axe optique, de 2 mm de diamètre, contenant majoritairement des cônes s’appelle la Macula .
La Fovea en constitue la partie centrale, ne contient aucun bâtonnet mais une forte densité de cônes très fins. Elle permet une acuité visuelle maximale.Les cônes sont absents de la périphérie de la rétine.
* L’acuité visuelle est la possibilité de percevoir de fins détails. Elle dépend du diamètre de la pupille, mais aussi et surtout de la densité des capteurs de la rétine et de la faculté d’intégration du cerveau.
Les cônes contiennent un pigment brun qui sert à les protéger des très fortes illuminations. Dans ce cas, le pigment migre en surface du capteur en jouant le rôle de filtre.
La rétine
Anatomie de l’œil humain
Les bâtonnets sont sensibles aux faibles illuminations. Ils ne distinguent pas les couleurs et ont une piètre acuité visuelle car connectés au nerf optique par groupes. Ils sont situés majoritairement en périphérie de la macula. La Fovean’en contient pas. Inutile donc de rechercher des faibles lumières dans la direction du regard.
La sensibilisation des bâtonnets aux faibles lumières est réalisée grâce à la synthèse par la cellule d’un produit coloré appelée pourpre rétinien*. La vitamine A est nécessaire à la production de ce pigment. Il n’est synthétisé que dans l’obscurité. Sa fabrication prend 10 à 15 mn, ce qui explique le délai nécessaire à l’accoutumance à l’obscurité avant de pouvoir « voir » la nuit. Les fortes lumières détruisent très rapidement le pourpre rétinien et rendent inopérants les bâtonnets.
* C’est la Rhodopsine, composée de Rétinal et d’Opsine
La rétine
Anatomie de l’œil humain
Tout astronome amateur se doit donc :
1 - de manger des carottes et des myrtilles (qui contiennent de quoifabriquer la vitamine A).
2 - de respecter un délai de 10 à 15 mn dans l’obscurité pour faire des observations correctes.
3 - de proscrire toute lumière blanche forte pendant les observations.
4 - d’observer les objets faibles en vision décalée.
Anatomie de l’œil humain
La dilatation de la pupille et l’accommodation du cristallin varient d’un individu à l’autre, mais surtout selon l’âge du sujet. Chez l’adulte, plus les années passent, plus le diamètre maximal de la pupille diminue (5, voire 4 mm), et plus l’accommodation est difficile, jusqu’à être impossible aux courtes distances.
Voir près contracte des muscles (accommodation)
Voir beaucoup de lumière contracte aussi des muscles (ceux de la pupille)
Donc, faire de l’astronomie à l’œil nu repose…
Un jeune enfant voit net à 6 cm. Cette distance passe à 15 cm à 30 ans, et à 40 cm à 50 ans. Ce vieillissement, rendant rigides les cellules du cristallin s’appelle la presbytie.
Anatomie de l’œil humain
Le globe oculaire a un diamètre, chez l’homme adulte, variant de 23 à 25 mm. La distance focale du système cristallin + cornée est d’environ 17 mm (Soit une puissance de 60 dioptries environ).
La résolution angulaire théorique correspondante est de 20‘’ (pupille à 7 mm) à 2’d’angle (pupille à 1 mm).
D’autres considérations, en particulier concernant la densité des bâtonnets, font que cette résolution maximale de 20 ‘’ n’est jamais atteinte en astronomie à l’œil nu.
La pupille, entre le soleil et la nuit, passe de 1 à 7 mm, ce qui donne un rapport F/D variant entre 2,4 et 17.
L’œil en quelques chiffres
Anatomie de l’œil humain
Volume du globe oculaire : 6,5 cm3
Poids : 7 grammesDiamètre du globe oculaire : 24 mm
Diamètre du cristallin : 10 mmFocale du cristallin seul : 4,6 mm
Focale du système oculaire : 17 mmSurface de la rétine : 1 250 mm2
Nombre de cônes : 6 000 000Nombre de bâtonnets : 130 000 000
Epaisseur de la couche des récepteurs : 40 microns
L’indice de réfraction du cristallin varie à l’intérieur de celui-ci et selon accommodation. La valeur 1,42 est une moyenne au repos.
L’œil en quelques chiffres
L’œil sidéral
Connaissant le mode de fonctionnement de l’œil humain, Bill Parkyn, dans un article de Sky and Telescope de juin 1994 s’est livré à un intéressant exercice intellectuel consistant à optimiser l’œil pour en faire un instrument spécialisédans l’astronomie.
Il a conservé la géométrie générale de l’organe, en y adjoignant quelques améliorations surprenantes. Il s’est borné à réorganiser l’existant, sans toucher aux circuits nerveux, ni àl’interprétation que le cerveau fait des messages reçus. Seuls seront adaptés l’optique et les capteurs.
La transparence
L’œil sidéral
La première amélioration consiste à augmenter la transparence à la lumière. Dans l’œil normal, seulement 10 % de la lumière pénétrant atteint les récepteurs de la rétine. Les causes de ces pertes sont bien connues : différentes membranes intermédiaires, diffractions, dispersions dans les différents fluides, dans la rétine (La rétine est formée de 10 couches cellulaires superposées).
Enlevons donc ces membranes et remplaçons l’humeur vitreuse et l’humeur aqueuse par un fluide plus transparent. La transmission optique passe alors à80 %, diminuant ainsi le seuil de sensibilité de 2 magnitudes.
Au passage, une meilleure transparence améliore d’autant le contraste des images.
L’iris
L’œil sidéral
L’iris a disparu, et la pupille fait 20 mm !
Le cristallin
L’œil sidéral
Bien entendu, le cristallin est un triplet asphérique apochromatique, aux indices de réfraction ajustés pour limiter la diffraction, les aberrations chromatiques et les réflexions parasites.
Les capteurs
L’œil sidéral
La rétine n’est plus composée que de bâtonnets reliés individuellement au nerf optique. La couche de capteurs est placée sur la face interne de la rétine, alimentée par les capillaires et reliés aux neurones par l’extérieur. On obtient donc une rétine en deux couches principales : les capteurs en direction de la lumière, sans intermédiaire, et en dessous, l’alimentation et la transmission des information.
Ceci permet une forte densité de capteurs répartis sur toute la surface de la rétine, avec une accumulation dans l’axe du regard. L’acuité est fortement améliorée, et présente dans tout le champ visuel. Le point aveugle n’existe plus, de même que la fovea. La vision décalée n’est plus nécessaire. La résolution théorique est atteinte.
Les bâtonnets sont devenus sensibles aux couleurs, avec un spectre étendu aux proches Ultraviolets et Infrarouges.Afin de protéger les capteurs des trop fortes lumières, on peut adjoindre une paupière à opacité variable, amovible comme chez les félins.
Performances
L’œil sidéral
L’œil sidéral ainsi réalisé permettrait de distinguer, sur un bon site de montagne, des objets de magnitude 11 (soit un gain de 4,5 magnitudes) en couleurs, avec une résolution de moins de 10 secondes d’arc et un spectre agrandi vers l’Infrarouge et l’Ultraviolet.
Imaginons donc, à l’œil nu, les bandes de Jupiter et ses satellites, les phases de Venus, les astéroïdes les plus gros, les comètes ou les pluies d’étoiles filantes permanentes.
Côté ciel profond, la galaxie d’Andromède laisse voir des détails dans ses bras spiraux, les amas d’étoiles apparaissent en couleurs.
Performances
L’œil sidéral
Les deux photos ci dessous donnent une idée de la différence avec un œil ordinaire…
Vision normale Même région avec un œil sidéral
Quelques inconvénients…
L’œil sidéral
En contrepartie, cet œil adapté à l’obscurité présente quelques inconvénients de taille !
- Accommodation n’est plus possible. Le port de lunettes est obligatoire pour voir de près.
- La vision de jour est faussée, voire impossible du fait d’une illumination trop forte. Obligation de porter des filtres.
- La Lune est trop brillante pour être observée sans filtre.
- Les oculaires des instruments astronomiques doivent être adaptés avec une pupille de sortie de 20 mm et un champ apparent de 60 °.
www.astrosurf.com/quasar95
Vitamine A (Rétinol)
Rétinal trans
Rétinal cis
Opsine
Rhodopsine (bâtonnets) ou Iodopsine (cônes)
Dans l’obscurité :
A la lumière :
hυυυυ Impulsion électrique
+
Compléments
Chimie de la vision (très simplifiée )
Compléments
Compléments
Structure spatiale de la Iodopsine M
Compléments
Compléments
En savoir plus :
http://www.bioinformatics.org/oeil-couleur/dossier/perception.html